半导体制程，经历了哪些重大的发展节点？

半导体制造的制程节点，那么也就是指所谓"XXnm"的节点的意思。这里面有多方面的问题，一是制造工艺和设备，一是晶体管的架构、材料。晶体管的制造只是前端而已，集成电路的后端，包括互联等等，也是每个技术节点都会进步的一大课题，这部分我也完全不懂，所以不涉及。

首先回答技术节点的意思是什么。常听说的，诸如，台积电16nm工艺的Nvidia GPU、英特尔14nm工艺的i5，等等，这个长度的含义，具体的定义需要详细的给出晶体管的结构图才行，简单地说，在早期的时候，可以姑且认为是相当于晶体管的尺寸。

为什么这个尺寸重要呢？因为晶体管的作用，简单地说，是把电子从一端(S)，通过一段沟道，送到另一端(D)，这个过程完成了之后，信息的传递就完成了。因为电子的速度是有限的，在现代晶体管中，一般都是以饱和速度运行的，所以需要的时间基本就由这个沟道的长度来决定。越短，就越快。这个沟道的长度，和前面说的晶体管的尺寸，大体上可以认为是一致的。但是二者有区别，沟道长度是一个晶体管物理的概念，而用于技术节点的那个尺寸，是制造工艺的概念，二者相关，但是不相等。

在微米时代，一般这个技术节点的数字越小，晶体管的尺寸也越小，沟道长度也就越小。但是在22nm节点之后，晶体管的实际尺寸，或者说沟道的实际长度，是长于这个数字的。比方说，英特尔的14nm的晶体管，沟道长度其实是20nm左右。

特约撰稿 莫大康 推动半导体业进步有两个轮子，一个是工艺尺寸缩小，另一个是硅片直径增大，而且总是尺寸缩小为先。由半导体工艺路线图看，2013年应该进入14纳米节点，观察近期的报道，似乎已无异议，而且仍是英特尔挑起大樑。尽管摩尔定律快“寿终正寝”的声音已不容置辩，但是14nm的步伐仍按期走来，原因究竟是什么? 传统光刻技术与日俱进 当尺寸缩小到22/20nm时，传统的光刻技术已无能力，必须采用辅助的两次图形曝光技术。 提高光刻的分辨率有3个途径：缩短曝光波长、增大镜头数值孔径NA以及减少k1。显然，缩短波长是最主要的，而且方便易行。目前市场的193nmArF光源是首选，再加入浸液式技术等，实际上达到了28nm，几乎已是极限(需要OPC等技术的帮助)。 所以Fabless公司NVIDIA的CEO黄仁勋多次呼吁工艺制程在22/20nm时的成本一定相比28nm高。其理由是当工艺尺寸缩小到22/20nm时，传统的光刻技术已无能为力，必须采用辅助的两次图形曝光技术(DP)。从原理上讲，DP技术易于理解，甚至可以3次，或者4次。但是这样带来两个大问题，一个是光刻加掩模的成本迅速上升，另一个是工艺的循环周期延长。所以业界心知肚明，在下一代光刻技术EUV尚未到来之际，采用DP是不得已而为之，实际上在技术上的可行性并不是问题，更多的是要从经济层面做出取舍的决定。 193nm光刻技术在计算的光刻技术辅助下，包含两项关键的创新，一个是同时带OPC(光学图形修正)的两次图形曝光技术，另一个是采用一种倒转的光刻技术来改善困难的布局复制，可以在局部区域达到最佳化。 因此可以相信，传统的193nm浸液式光刻技术加上两次图形曝光技术(DP)，甚至4次，从分辨率上在2015年时有可能达到10nm，这取决于业界对于成本上升等的容忍度。 7nm还是5nm 除了工艺尺寸缩小之外，产业尚有多条路可供选择，如450mm硅片、TSV 3D封装等。 何时能够达到7nm或者5nm，截至今日尚无人能够回答，因为EUV何时进入也不清楚。乐观的估计可能在2015年或2016年。如果真能如愿，可能从10nm开始就采用EUV技术，一直走到5nm。但是目前业界比较谨慎，通俗一点的说法仍是两条腿走路。在今年的Semicon West上各厂家的反应也是如此。Nikon正努力延伸193nm的浸液式技术，甚至包含450mm硅片而ASML由于获得英特尔、三星及台积电的支持，正加快NXE 3300B实用机型的发货。 据说已经有6台NXE 3100 EUV设备在客户处使用，累积产出硅片已达44000片。另外，下一代EUV设备NXE 3300B已开始安装调试，计划2013年共发货5台，另有11台NXE 3300B的订单在手及7台订单在讨论中。 ASML正在准备450mm光刻机，它是客户共同投资计划中的一部分。公司有信心将3台EUV的营收落实在2013年的销售额之中。 ASML在2013年展览会的演讲中详细描绘了业界期待已久的EUV光源路线图，近期Cymer公司已推出了专为ASML光刻机配置的40W极紫外(EUV)光源，工作周期高达每小时30片，并计划在2014年时NXE 3300B中的光源升级达到50W，相当于43WPH水平。而100W光源可能要等到2015年或2016年，相当于73WPH。至于何时出现250W EUV光源，至少目前无法预测，除非等到100W光源成功，并有出彩的表现。500W光源写进路线图中是容易的，但是未来能否实现还是个问题。 只要实现73WPH，可以认为EUVL已达到量产水平，因为与多次曝光技术相比，它的成本在下降。在10nm节点以下如果继续釆用MP多次曝光技术，则可能需要4x甚至8x的图形成像技术。 因为从理论上讲，硅晶格大小约0.5nm，通常大于10个晶格尺寸，即约5nm时，才可能有好的硅器件功能，所以可以认为5nm是工艺尺寸的最终极限。预测在2024年以后半导体产业可能发生革命性变化，电荷不再是传输信息的唯一载体，同时计算架构也可能发生革命。 另外，ASML、IMEC及Applied Materials等共同协作，认为采用EUV技术有可能达到小于7nm，由于EUV技术同样也可采用DP两次图形曝光技术来提高分辨率。 随着半导体产业的继续发展，之后的每一个工艺节点进步都要付出极大的代价，要求达到财务平衡的芯片产出数量巨大。现在市场上已很难找出几种能相容的产品，因此未来产业面临的经济层面压力会越来越大。然而除了尺寸缩小之外，产业尚有多条路可供选择，如450mm硅片、TSV 3D封装，FinFET结构与III-V族作沟道材料等，此外还有应用商店。而站在客户立场，他们并非知道芯片的内部构造，仅是需要价廉、实用，而又方便使用的电子终端产品。

我们在 ExtremeTech 上讨论了很多半导体工艺节点，但是从技术上讲，我们并不经常提及什么是半导体工艺节点 。 随着 Intel 的 10nm 节点进入生产阶段，对于半导体工艺节点的困惑越来越多了，而且对于台积电和三星的技术是不是优于英特尔（以及如果拥有的优势，他们拥有多少优势），也打上了问号。

半导体工艺节点通常以数字命名，后跟纳米的缩写：32nm，22nm，14nm等。CPU 的任何功能与节点名称之间没有固定的客观联系。半导体工艺节点的命名方式也并非总是如此，在大约 1960s-1990s ，节点是根据门的长度来命名的。IEEE 的这张图显示了这种关系：

长期以来，栅极长度（晶体管栅极的长度）和半间距（芯片上两个相同特征，如栅级，之间的距离的一半）与过程节点名称相匹配，但最后一次是 1997年 。半间距又连续几代与节点名匹配，但在实际意义上两者并没有什么关系。实际上，特征尺寸和芯片实际上的样子匹配，已经是很长很长时间之前的事情了。

如果我们达到几何比例缩放要求以使节点名称和实际特征尺寸保持同步，那么六年前我们就该将生产线降至 1nm 以下（这怎么可能嘛）。我们用来表示每个新节点的数字只是代工厂为了宣传选取的数字。早在2010年，ITRS（国际半导体技术发展蓝图，稍后对此组织进行详细介绍）把在每个节点上应用的技术集称为“等效扩展”（而不是几何扩展）。当我们接近纳米级的极限时，宣传可能会开始使用埃而不是纳米，或者可能会使用小数点。当我开始在这个行业工作时，通常会看到记者提到微米而不是纳米的工艺节点，例如 0.18微米或 0.13微米，而不是 180nm 或 130nm。

半导体制造涉及大量的资本支出和大量的长期研究。从论文采用新技术到大规模商业化生产之间的平均时间间隔为10到15年。几十年前，半导体行业认识到，如果存在针对节点引入的通用路线图以及这些节点所针对的特征尺寸，这对每个电子工业的参与方都是有利的。这将允许生产线上的不同位置的厂商同时克服将新节点推向市场遇到的难题。多年来，ITRS（国际半导体技术路线图）一直在发布该行业的总体路线图。这些路线图长达15年之久，为半导体市场设定了总体目标。

ITRS于1998-2015年发布。从2013年至2014年，ITRS重组为ITRS 2.0，他们很快意识到传统的推进方法遇到了理论创新的瓶颈，新组织的任务目标是为大学、财团和行业研究人员提供“未来的主要参考方向，以激发技术各个领域的创新”，这个目标也要求新组织大幅扩展其覆盖范围和覆盖范围。ITRS就此宣布退休了，成立了一个新的组织，称为IRDS（国际设备和系统路线图），其研究的范围大得多，涉及更广泛的技术。

范围和重点的转移反映了整个代工行业正在发生的事情。我们停止将栅极长度或半间距与节点大小绑定的原因是，它们要么停止缩小，要么缩小的速率减慢。作为替代方案，公司已经集成了各种新技术和制造方法，从而继续进行节点缩放。在40 / 45nm，GF和TSMC等公司推出了浸没式光刻技术。在32nm处引入了双图案。后栅极制造是28nm的功能。FinFET是由Intel在22nm处引入的，而其他公司则是在14 / 16nm节点处引入的。

公司有时会在不同的时间推出功能。AMD和台积电推出了40 / 45nm浸没式光刻技术，但英特尔等到32nm才使用该技术，并选择首先推出双图案。GlobalFoundries和台积电开始在32 / 28nm使用更多的双图案。台积电在28nm处使用后栅极构造，而三星和GF使用先栅极技术。但是，随着进展变得越来越慢，我们已经看到公司更加依赖于营销，拥有更多定义的“节点”。像三星这样的公司，没有像以前一样瀑布式下降节点名字（90、65、45），而是给不同的工艺节点起了数字部分相同的名字：

我认为您可以吐槽该产品名称不明不白，因为除非您有清晰的图表，否则很难分辨哪些流程节点是早期节点的演变变体。

尽管节点名称不 依赖 于任何特征尺寸，并且某些特征尺寸已停止缩小，但半导体制造商仍在寻找改善关键指标的方法。这是真正的技术进步。但是，由于现在很难获得性能上的优势，并且更小的节点需要更长的开发时间，因此公司正在尝试更多所谓的改进实验。例如，三星正在准备比以前更多的节点名称。那是某种营销策略，而不是他们真的能做出来多么超前的改进。

因为英特尔10纳米制程的制造参数非常接近台积电和三星用于7纳米制程的值。下面的图表来自WikiChip，但它结合了英特尔10nm节点的已知功能尺寸和台积电和三星7nm节点的已知功能尺寸。如您所见，它们非常相似：

delta 14nm / delta 10nm列显示了每个公司从其上一个节点开始将特定功能缩小的程度。英特尔和三星的最小金属间距比台积电更严格，但是台积电的高密度SRAM单元比英特尔小，这可能反映了台湾代工厂的不同客户的需求。同时，三星的单元甚至比台积电的单元还要小。总体而言，英特尔的10nm工艺达到了许多关键指标，台积电和三星都将其称为7nm。

由于特定的设计目标，单个芯片可能仍具有偏离这些尺寸的功能。制造商提供的这些数字是给定节点上的典型预期实现方式，不一定与任何特定芯片完全匹配。

有人质疑英特尔的10nm +工艺（用于Ice Lake）在多大程度上达到了这些宣传的指标（我相信这些数字是针对Cannon Lake发布的）。的确，英特尔10纳米节点的预期规格可能会略有变化，但14纳米+也是14纳米的调整，10nm+肯定比14nm工艺有非常大的改进。英特尔已经表示，一定会把10nm工艺节点的晶体管密度相对14nm增加2.7倍作为目标，因此我们将推迟任何有关10nm +可能略有不同的猜测。

理解新流程节点的含义的最佳方法是将其视为总括性术语。当一家代工厂商谈论推出一个新的流程节点时，他们所说的其实是：

“我们创建了具有更小特征和更严格公差的新制造工艺。为了实现这一目标，我们集成了新的制造技术。我们将这组新的制造技术称为流程节点，因为我们想要一个总括的术语，向大众传递我们改进了某些具体的工艺参数。”

关于该主题还有其他问题吗？将它们放到下面，我会回答他们。

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